Квантовые вычисления

Создание универсального квантового компьютера - одна из сложнейших задач современной физики, решение которой в корне изменит представления человечества об интернете и методах передачи информации, кибербезопасности и криптографии, электронных валютах, системах искусственного интеллекта и машинного обучения, методах синтеза новых материалов и лекарств, подходах к моделированию сложных физических, квантовых и ультра больших (Big Data) систем.

Экспоненциальный рост размерности при попытке расчетов реальных систем или самых простых квантовых систем является непреодолимым препятствием для классических компьютеров. Однако в 1980 году Юрий Манин и Ричард Фейнман (в 1982 году, но более подробно) независимо выдвинули идею использования квантовых систем для вычислений. В отличие от классических современных компьютеров, в квантовых схемах при вычислениях используются кубиты (квантовые биты), которые по своей природе являются квантовыми двухуровневыми системами и обеспечивают возможность прямого использования феномена квантовой суперпозиции. Другими словами это означает, что кубит может одновременно находится в состояниях |0> и |1>, а два связанных между собой кубита – одновременно в состояниях |00>, |10>, |01> и |11>. Именно это свойство квантовых систем должно обеспечить экспоненциальный рост производительности параллельных вычислений, сделав квантовые компьютеры в миллионы раз быстрее самых мощных современных суперкомпьютеров.

В 1994 году Питером Шором предложен квантовый алгоритм разложения чисел на простые множители. Вопрос существования эффективного классического решения данной задачи является крайне важным и до сих пор открыт, при этом квантовый алгоритм Шора обеспечивает экспоненциальное ускорение относительно наилучшего классического аналога. Например, современный суперкомпьютер петафлопсного диапазона (10¹⁵ операций/сек) позволяет разложить число с 500 десятичными знаками за 5 миллиардов лет, квантовый компьютер мегагерцового диапазона (10⁶  операций/сек) решил бы ту же задачу за 18 секунд. Важно отметить, что сложность решения данной задачи является основой популярного алгоритма криптографической защиты RSA, который после создания квантового компьютера попросту потеряет актуальность.

В 1996 году Ловом Гровером предложен квантовый алгоритм решения задачи перебора (поиска) с квадратичным ускорением. Несмотря на то, что ускорение алгоритма Гровера заметно ниже алгоритма Шора, важным является его широкий спектр применения, и очевидная невозможность ускорения классического варианта перебора. Сегодня известно более 40 эффективных квантовых алгоритмов, большинство из которых основаны на идеях алгоритмов Шора и Гровера, реализация которых является важным шагом к созданию универсального квантового компьютера.

Реализация квантовых алгоритмов - одна из приоритетных задач НОЦ ФМН. Наши исследования в этой области направлены на разработку многокубитных сверхпроводящих квантовых интегральных схем для создания универсальных квантовых систем обработки информации и квантовых симуляторов. Базовым элементом таких схем являются джозефсоновские туннельные переходы, состоящие из двух сверхпроводников, разделенных тонким барьером - диэлектриком толщиной порядка 1 нм. Сверхпроводящие кубиты на основе джозефсоновских переходов при охлаждении в криостатах растворения практически до температуры абсолютного нуля (~20 мК) проявляют квантово-механические свойства, демонстрируя квантование электрического заряда (зарядовые кубиты), фазы или потока магнитного поля (потоковые кубиты) в зависимости от их конструкции. Для объединения кубитов в схемы используются емкостные или индуктивные соединительные элементы, а также сверхпроводящие копланарные резонаторы, а управление осуществляется микроволновыми импульсами с контролируемыми амплитудой и фазой. Сверхпроводящие схемы особенно привлекательны благодаря тому, что они могут быть изготовлены планарными массовыми технологиями, используемыми в полупроводниковой промышленности. В НОЦ ФМН мы используем оборудование (R&D класса) ведущих мировых производителей, специально спроектированное и созданное для нас с учетом особенностей технологических процессов изготовления сверхпроводящих квантовых интегральных схем.

Несмотря на то, что показатели качества сверхпроводящих кубитов выросли за прошедшие 15 лет почти на несколько порядков, сверхпроводящие квантовые интегральные схемы все еще очень нестабильны по сравнению с классическими процессорами. Построение надежного универсального многокубитного квантового компьютера требует решения большого количества физических, технологических, архитектурных и алгоритмических задач. В НОЦ ФМН сформирована комплексная программа исследований и разработок по направлению создания многокубитных сверхпроводящих квантовых схем, включая:

Формирование джозефсоновских переходов осуществляется стандартными методами литографии ультравысокого разрешения с использованием двухслойных резистивных или жестких масок. При проявлении такой двухслойной маски формируются окна для осаждения слоев сверхпроводника под такими углами, чтобы в результате процессов произошло наложение напыляемых слоев. Перед осаждением второго слоя сверхпроводника формируется туннельный диэлектрический слой джозефсоновского перехода очень высокого качества. После формирования джозефсоновских переходов двухслойная маска удаляется. При этом на каждом этапе формирования переходов критически важным фактором является создание «идеальных» интерфейсов – даже атомарные загрязнения радикально ухудшают параметры изготавливаемых схем в целом.

В ФМН разработана алюминиевая технология формирования джозефсоновских переходов Al–AlOx–Al с минимальными размерами в диапазоне 100-500 нм и воспроизводимостью параметров переходов по критическому току не хуже 5%. Продолжающиеся технологические исследования направлены на поиск новых материалов, усовершенствование технологических операций формирования переходов, подходов по интеграции с новыми маршрутными технологическими процессами и повышение воспроизводимости изготовления переходов при увеличении их количества до десятков тысяч штук на кристалле.

Джозефсоновские кубиты (квантовая двухуровневая система или «искусственный атом») характеризуются типичным расщеплением энергии основного возбужденного состояния на уровни и управляются стандартными микроволновыми импульсами (внешняя подстройка расстояния между уровнями и собственных состояний) на частоте расщепления в гигагерцовом диапазоне. Все сверхпроводящие кубиты можно разделить на зарядовые (квантование электрического заряда) и потоковые кубиты (квантование магнитного поля или фазы), а основными критериями качества кубитов с точки зрения квантовых вычислений являются время релаксации (T1), время когерентности (T2, дефазировки) и время на выполнение одной операции. Первый зарядовый кубит был реализован в лаборатории компании NEC (Япония) научной группой под руководством Y. Nakamura и Ю. Пашкина (Nature 398, 786–788, 1999). За прошедшие 15 лет времена когерентности сверхпроводящих кубитов были улучшены ведущими научными группами почти на шесть порядков с наносекуд до сотен микросекунд, обеспечив возможность выполнения сотен двухкубитных операций и реализации алгоритмов коррекции ошибок.

В НОЦ ФМН мы разрабатываем, изготавливаем и тестируем зарядовые и потоковые кубиты различных конструкций (потоковые, флаксониумы, 2D/3D трансмоны, X-моны и т.п.) с алюминиевыми джозефсоновскими переходами, проводим исследования новых материалов и методов создания высококогерентных кубитов, направленные на улучшение основных параметров сверхпроводящих кубитов.

С целью повышения параметров сверхпроводящих резонаторов мы проводим исследования различных типов их конструкций, материалов тонких пленок (алюминий, ниобий, нитрид ниобия), методов осаждения пленок (электронно-лучевое, магнетронное, атомно-слоевое) и формирования топологий (взрывная литография, различные процессы травления) на различных подложках (кремний, сапфир) и интеграции различных материалов в одной схеме.

Научные группы из различных областей физики давно занимаются исследованием возможности когерентного взаимодействия (связи) квантовых двухуровневых систем с квантовыми гармоническими осцилляторами. До 2004 года такого взаимодействия удавалось добиться только в экспериментах атомной физики и квантовой оптики, где одиночный атом когерентно обменивается одиночным фотоном с одномодовым излучением. Эти эксперименты внесли большой вклад в понимание механизмов взаимодействия света с веществом, квантовой физики, физики когерентности и декогерентности, а также подтвердили теоретические основы концепции квантовых вычислений. Однако в 2004 году научной группой под руководством A. Wallraff (Nature 431, 162-167 (2004)) была впервые продемонстрирована возможность когерентной связи твердотельной квантовой схемы с одиночным фотоном микроволнового диапазона. Благодаря этим экспериментам и после решения ряда технологических проблем были разработаны принципы создания управляемых твердотельных двухуровневых квантовых систем, которые составили основу новой парадигмы схем квантовой электродинамики (QED схем) активно исследуемых в последние годы.

QED схемы крайне привлекательны как с точки зрения исследования особенностей взаимодействия различных элементов квантовых систем, так и создания квантовых устройств для практического применения. Мы исследуем различные типы схем взаимодействия элементов QED схем: эффективной связи кубитов и управляющих элементов, схемотехнические решения перепутывания кубитов, квантовой нелинейности взаимодействия элементов с малым количеством фотонов и т.п. Эти исследования направлены на формирование базы практических экспериментальных методов для создания многокубитных квантовых интегральных схем.

Основной целью исследований в данном направлении в ФМН является разработка технологии создания, метрологической, методической и алгоритмической базы для реализации алгоритмов Шора и Гровера с использованием многокубитных квантовых схем и демонстрации квантового ускорения по сравнению с классическими суперкомпьютерами. Эта крайне амбициозная научно-техническая задача требует решения колоссального количества теоретико-физических, технологических, схемотехнических, метрологических и алгоритмических проблем, над которыми в данный момент активно работаю ведущие научные группы и ИТ-компании.